WO2005121900A1 - Beleuchtungssystem einer mikrolithographischen projektionsbelichtungsanlage - Google Patents

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WO2005121900A1
WO2005121900A1 PCT/EP2005/005931 EP2005005931W WO2005121900A1 WO 2005121900 A1 WO2005121900 A1 WO 2005121900A1 EP 2005005931 W EP2005005931 W EP 2005005931W WO 2005121900 A1 WO2005121900 A1 WO 2005121900A1
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polarizer
lighting system
light
optical element
polarization
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PCT/EP2005/005931
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Damian Fiolka
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Carl Zeiss Smt Ag
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    • G03F7/70—Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70058—Mask illumination systems
    • G03F7/70191—Optical correction elements, filters or phase plates for controlling intensity, wavelength, polarisation, phase or the like
    • G—PHYSICS
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    • G02B27/286—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising for controlling or changing the state of polarisation, e.g. transforming one polarisation state into another
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    • G03F7/7055—Exposure light control in all parts of the microlithographic apparatus, e.g. pulse length control or light interruption
    • G03F7/70566—Polarisation control

Definitions

  • the invention relates to an illumination system for microlithographic projection exposure systems, such as are used for the production of microstructured components.
  • Illumination systems of microlithographic projection exposure systems are used to generate a projection light beam which is directed onto a reticle which contains the structures to be projected. With the help of a projection lens, these structures are imaged on a light-sensitive layer, which e.g. can be applied to a wafer.
  • lasers are generally used as light sources. Lasers generate highly linearly polarized light due to the stimulated emission processes taking place in them. Often, the lighting system should maintain the linear polarization state of the light generated by the laser as well as possible. This is advantageous, for example, in projection exposure systems whose projection objectives have a beam splitter cube with a polarization-selective one
  • Beam splitter layer included.
  • When using linearly polarized projection light provided the direction of polarization of the incident light is tion of the beam splitter layer is coordinated, light losses at the beam splitter layer are kept low.
  • the object of the invention is to provide a lighting system with which simple, in particular when using very short-wave projection light, e.g. at wavelengths of 193 nm or 157 nm, polarized light can be generated.
  • a polarizer is arranged in the beam path in front of an optical raster element, which is the first optical element in the beam path that significantly increases the light conductance.
  • a polarizer is a component with which a linear polarization component can be isolated from a light beam.
  • the optical geometrical flux is understood to mean the product of the field size and the animal aperture.
  • An optical element that increases the light conductance can e.g. be an optical raster element.
  • An optical raster element e.g. as a diffractive element (grid), as a kinoform or as a hologram.
  • Refractive optical elements also often have the property of increasing the light conductance.
  • a refractive optical element is generally understood to be a flat refractive optical element in which, in contrast to conventional lenses or prisms, at least one refractive surface is structured.
  • the refractive optical element can thus be thought of as being divided into a large number of sub-elements, which in themselves are like classic elements, e.g. Lenses or prisms.
  • the size of the sub-elements is typically between a few micrometers and about 1 mm. Examples of refractive optical elements are microlens arrays and Fresnel lenses. Further variants for raster elements can be found in the applicant's US Pat. No. 6,285,443, the content of which is made
  • the invention is based on the discovery that this is from a laser or other comparable light source generated projection light is no longer completely linearly polarized under certain circumstances when it strikes the first optical element which increases the light conductance and thus enters the more polarization-sensitive part of the lighting system.
  • the disturbances that cause this are generated by optical elements which are arranged between the laser and the first optical-element-increasing optical element.
  • This is, in particular, a beam expansion unit that expands the projection light generated by the laser into an essentially parallel beam without increasing the light conductance.
  • the beam processing reduces the intensities on subsequent optical elements and thus prevents damage from the high-energy and highly focused laser beam.
  • the beam expansion unit usually contains a few lenses, but can also be constructed exclusively from mirrors, as is described in US Pat. No. 5,343,498.
  • disturbances in the polarization state can also be caused or amplified by deflecting mirrors, which are often arranged between the laser and the first light-conducting value-increasing element and serve to fold the beam path.
  • the high-energy laser beam leads to signs of degradation of the above-mentioned optical elements after some time.
  • it can be, in particular in the case of expansion unit contained lenses, for compacting, for the formation of so-called microchannels and for polarization-induced birefringence.
  • the optical materials change in such a way that they become birefringent.
  • birefringent materials lead to disturbances in the polarization state.
  • a polarizer is arranged as close as possible in front of the first light-conducting value-increasing optical element in the manner according to the invention, it is ensured that the projection light which passes through the more polarization-sensitive optical elements of the lighting system is always completely linearly polarized even after longer operating times.
  • the arrangement of a polarizer before the first light-conducting value-increasing optical element is expedient because the projection light is still present at this point as a collimated beam, the cross-section of which is comparatively small.
  • the projection light already has a wider angular distribution and also a larger bundle cross section.
  • a polarizer behind the first optical value-increasing optical element would have to act largely independently of the angle and, furthermore, would have larger dimensions overall due to the larger bundle cross section.
  • in front of the first optical element which increases the light conductance Polarizers with a particularly simple structure and small dimensions can be used.
  • polarizers In principle, all optical components which serve to generate linearly polarized light are considered as polarizers here. Many of the polarizers commonly used in optics, e.g. dichroic crystals or organically colored foils, however, cannot be used in lighting devices whose light sources generate very short-wave projection light.
  • New wire polarizers as described in an article by H. Tamada et al. with the title "AI wire-grid polarizer using the s-polarization resonance effect at the 0.8- ⁇ m wavelength band", Optics Letters, Vol. 22, No. 6, 1997, pages 419-420, are at least not subject to the principle.
  • special lattices in which a high polarization Selectivity is achieved through a combination of shape birefringence and resonance effects in multilayer systems.
  • Such grids are described in an article by R.-C. Tyan et al with the title “Polarizing beam Splitters constructed of form-birefringent multilayer gratings", SPIE Proceedings: Diffractive and Holographie Optics Technology III, Volume 2689, pages 82 to 89, 1996.
  • polarization-selective beam splitter layers which are applied to a transparent support.
  • These beam splitter layers are layer structures which have the property of being largely transparent to incident light in a first polarization state and of being largely reflective of light in a second polarization state which differs from the first polarization state.
  • the difference in transmittance for the different polarization states depends on the angle at which the light strikes the beam splitter layer. But since the polarizer according to the invention in parallel
  • the beam splitter layer can be optimally aligned with the direction of incidence of the light rays. In this way, degrees of polarization of well over 90% can be achieved.
  • a prism can be used as the carrier for the beam splitter layer, the geometry of which is selected according to the desired angle of incidence. assigns If the beam splitter layer is applied between two prism-shaped carriers in order to compensate for the refractive action of the carriers, a beam splitter cube is produced, as is known per se in the prior art. On the other hand, if the carrier is a thin transparent plate, one speaks mostly of thin-film polarizers.
  • the carrier of the beam splitter layer preferably consists of a crystalline material, for example calcium fluoride, barium fluoride, magnesium fluoride or quartz.
  • Crystalline materials have the advantage that they do not degrade as quickly as glass-like materials under linearly polarized radiation.
  • the crystalline materials preferred at particularly short wavelengths due to their higher transparency, e.g. Calcium fluoride has the disadvantage, however, that it is intrinsically birefringent.
  • the polarizer is arranged in the parallel beam path, all light rays pass through the carrier at the same angle. It is therefore possible to align the crystal lattice of the crystalline material, taking into account the direction of incidence of the light striking the material, in such a way that influences on the projection light due to intrinsic birefringence of the material are minimal.
  • the polarizer can also be a plate made of a transparent material that extends at a Brewster angle to the axis of the incident light. is aimed. The reflected light is then linearly polarized. To increase the yield, a plurality of transparent plates can also be staggered one behind the other, as is known per se in the prior art.
  • the projection light bundle is highly collimated, so that the individual light beams run practically parallel to an optical axis OA of the lighting system 10.
  • a single projection light beam is indicated by a solid line and is designated by 14.
  • the emitted projection light is highly linearly polarized.
  • the direction of polarization is perpendicular to the plane of the paper, as indicated by points 16 on the projection light beam 14. Since the pa represents the plane of incidence for the projection light beam 14, the projection light beam 14 is thus s-polarized.
  • the projection light beam 14 After emerging from the excimer laser 12, the projection light beam 14 first enters a beam expansion unit 18, which enlarges the cross section of the projection light beam, but maintains the parallelism of the projection light beams and does not change the light conductance.
  • the beam expansion unit 18 is only shown with two lenses 20, 22 in the exemplary embodiment shown. However, it can just as well contain three or more lenses or be constructed exclusively from mirrors.
  • Very high energy densities are achieved in the areas of the lenses 20, 22 which are exposed to the high-energy projection light. Due to the non-negligible absorption of the lens material, this not only leads to heating of the lenses, but also to permanent signs of degradation. For example, a compactification can occur in the areas penetrated by projection light, in which the lens material, for example quartz glass or the calcium fluoride that is more transparent at shorter wavelengths, undergoes local compaction. In general, the anisotropy of the material is lost, making it optically birefringent. In addition, the high-energy projection light can also cause the formation of so-called microchannels, which also have a birefringent effect.
  • the lens material for example quartz glass or the calcium fluoride that is more transparent at shorter wavelengths
  • the widened projection light bundle is then fed via a plurality of deflection mirrors 26, 28, 30, 32 serving to fold the beam path to the other optical elements of the illumination system 10, which modify the angle distribution and cross section of the projection light bundle. Since the projection light has already been expanded by the expansion unit 18, the intensities on the deflection mirrors 26, 28, 30, 32 are lower than is the case, for example, with the first lens 20 of the expansion unit 18. Still it can As a result of the high-energy projection light, even in the sensitive reflective coatings of the deflecting mirrors 26, 28, 30, 32, permanent damage occurs which changes the polarization state of the projection light.
  • the deflection mirrors 26, 28, 30, 32 generally influence the polarization state of the deflected projection light, since the reflectivity of the deflection mirrors 26, 28, 30, 32 depends - albeit slightly - on the direction of polarization. In this way, the intensity ratio between the two orthogonal polarization components indicated by points 16 and double arrows 24 in the drawing can be changed. If the reflectivity of the deflecting mirrors 26, 28, 30, 32 is lower for the s-polarized light indicated by points 16 than for p-polarized light indicated by double arrows 24, the degree of linear polarization of the projection light is reduced by the folding of the Beam path at the deflecting mirrors 26, 28, 30, 32 further. In the drawing, this is indicated by the fact that the length of the double arrow 24 has increased at 35.
  • a polarizer 34 which is designed as a beam splitter cube, is inserted into the beam path behind the last deflecting mirror 32.
  • the polarizer 34 consists of two transparent prisms 36, 38, between which a polarization-selective
  • Beam splitter layer 40 is arranged.
  • the beam splitter layer 40 has the property that it is transparent to p-polarized light and reflective to s-polarized light.
  • the s-polarized component of the projection light indicated by points 16 in the drawing is thus reflected on the beam splitter layer 40 and deflected out of the beam path. Only the p-polarized component 24 of the projection light passes through the polarizer 34 and arrives at the subsequent optical elements of the lighting system 10.
  • the prisms 36, 38 consist of calcium fluoride crystals which are oriented in such a way that the intrinsic birefringence is minimal in the given beam and polarization direction. This can be achieved, for example, by aligning the crystal lattice so that the [100] or [111] crystal axis runs parallel to the optical axis OA. In both cases, the amount of birefringence is negligible, regardless of the direction of polarization.
  • the polarization light which is completely linearly polarized again after exiting the polarizer 34 passes through a diffractive optical element 42 in which the light conductance is increased for the first time.
  • a diffractive optical element 42 Arranged behind the diffractive optical element 42 are a zoom group 44 with lenses 46, 48, at least one of which can be displaced in the direction of a double arrow 50 along the optical axis OA.
  • axicon group 52 with axicon elements 54, 56, at least one of which is likewise displaceable parallel to the optical axis OA in the direction indicated by a double arrow 58.
  • the first diffractive optical element 42, the zoom group 44 and the axicon group 52 together define the intensity distribution in a pupil plane 62 and thus the angular distribution of the projection light in a field plane conjugated to it.
  • the geometry of the illuminated field is essentially defined by a second diffractive optical element 60, which is arranged in the pupil plane 62.
  • a condenser lens 64 conjugates the pupil plane 62 with a field plane 66 in which a masking device 68 is arranged.
  • a masking objective 70 images the masking device 68 onto a reticle plane 72, in which a reticle 74 to be illuminated is arranged. In this way, the reticle 74 is illuminated with sharp edges and with uniform brightness.
  • the lighting system has only been described above in an exemplary and simplified manner.
  • lighting systems contain substantial more than the optical elements mentioned here.
  • the condenser lens 64 is generally larger, multi-lens optical units. Additional optical elements are generally also arranged between the two diffractive optical elements 42 and 60.
  • US Pat. No. 5,285,443 A for further details, the content of which is made the subject of the present application in its entirety.

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Abstract

Ein Beleuchtungssystem einer mikrolithographischen Pro­jektionsbelichtungsanlage enthält eine Lichtquelle (12), die linear polarisiertes Licht erzeugt. Im Strahlengang vor einem den Lichtleitwert erstmalig wesentlich erhöhen­den optischen Element (42) ist ein Polarisator (34) ange­ordnet ist, wobei sich vorzugsweise zwischen dem Polari­sator (34) und dem optischen Element (42) keine reflekti­ven oder refraktiven optischen Elemente befinden. Störun­gen des Polarisationszustands durch vorangehende optische Elemente können sich dadurch nicht auf polarisationsemp­findlichere optische Elemente hinter dem optischen Ele­ment (42) auswirken.

Description

Beleuchtungssystem einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage
Die Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem für mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlagen, wie sie zur Herstellung von mikrostrukturierten Bauteilen verwendet werden.
Beleuchtungssysteme mikrolithographischer Projektionsbelichtungsanlagen dienen der Erzeugung eines Projektionslichtbündels, das auf ein Retikel gerichtet wird, welches die zu projizierenden Strukturen enthält. Mit Hilfe eines Projektionsobjektivs werden diese Strukturen auf eine lichtempfindliche Schicht abgebildet, die z.B. auf einem Wafer aufgebracht sein kann.
In derartigen Beleuchtungssystemen werden als Lichtquellen im allgemeinen Laser eingesetzt. Laser erzeugen aufgrund der darin stattfindenden stimulierten Emissionspro- zesse hochgradig linear polarisiertes Licht. Häufig soll das Beleuchtungssystem den linearen Polarisationszustand des von dem Laser erzeugten Lichts möglichst gut erhalten. Vorteilhaft ist dies beispielsweise bei Projektionsbelichtungsanlagen, deren Projektionsobjektive einen Strahlteilerwürfel mit einer polarisationsselektiven
Strahlteilerschicht enthalten. Bei Verwendung linear polarisierten Projektionslichts können, sofern die Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts auf die Orientie- rung der Strahlteilerschicht abgestimmt ist, Lichtverluste an der Strahlteilerschicht gering gehalten werden.
Es hat sich außerdem herausgestellt, daß in bestimmten Fällen, z.B. bei der Projektion von Strukturen, die eine bestimmte Vorzugsrichtung haben, die Verwendung linear polarisierten Lichts zu einem höheren Kontrast bei der Abbildung der Strukturen führt. Daneben gibt es Fälle, in denen das Retikel nicht mit linear, sondern mit anders, z.B. zirkulär, polarisiertem Licht oder aber mit Licht ohne jegliche Polarisationsvorzugsrichtung beleuchtet werden soll .
Häufig ist es allerdings mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden, das Retikel mit Licht in dem gewünschten Polarisationszustand zu beleuchten. So können beispielsweise bei der Verwendung von Projektionslicht, dessen Wellenlänge im tiefen ultravioletten Spektralbereich liegt, bei bestimmten optischen Elementen unerwünschte polarisierende Wirkungen auftreten, die den Polarisationszustand des Projektionslichts stören. Ein Beispiel hierfür ist die intrinsische Doppelbrechung von Kalziumfluorid (CaF2) , das bei diesen kurzen Wellenlängen eine deutlich höhere Transparenz als übliche Linsenmaterialien wie etwa Quarzglas aufweist und deswegen diese Materialien teilweise oder sogar ganz ersetzt. Daneben kann es sowohl bei Kal- ziumfluorid und ähnlichen kubischen Kristallen als auch bei den herkömmlichen Linsenmaterialien zu spannungsindu- zierter Doppelbrechung kommen. Unabhängig von der Ursache kann die Doppelbrechung beispielsweise dazu führen, daß linear polarisiertes Licht in elliptisch polarisiertes Licht umgewandelt wird.
Um derartige Störungen des Polarisationszustands zu ver- meiden, können verschiedene Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Bei intrinsisch doppelbrechenden Kristallen kommt beispielsweise in Betracht, durch gezielte Ausrichtung der Kristallgitter eine gegenseitige Kompensation zu erzielen, wie dies z.B. in der WO 02/093209 der Anmelderin beschrieben ist. Es hat sich allerdings gezeigt, daß trotz dieser Maßnahmen der Polarisationszustand des auf das Retikel auftreffenden Projektionslichts häufig in nicht vernachlässigbarer Weise gestört ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Beleuchtungssystem an- zugeben, mit dem sich auf einfache Weise insbesondere bei Verwendung sehr kurzwelligen Projektionslichts, z.B. bei Wellenlängen von 193 nm oder 157 nm, polarisiertes Licht erzeugen laßt.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Beleuchtungssystem mit einer Lichtquelle, die polarisiertes Projektionslicht erzeugt. Im Strahlengang vor einem optischen Rasterelement, das im Strahlengang das erste optische Element ist, das den Lichtleitwert wesentlich erhöht, ist ein Polarisator angeordnet. Ein Polarisator ist ein Bauelement, mit dem sich eine lineare Polarisationskomponente aus einem Lichtstrahl isolieren läßt. Unter dem Lichtleitwert (engl. "optical geo- metrical flux") wird das Produkt aus Feldgröße und nurtie- rischer Apertur verstanden.
Ein optisches Element, das den Lichtleitwert erhöht, kann z.B. ein optisches Rasterelement sein. Realisiert sein kann ein optisches Rasterelement z.B. als diffraktives Elementes (Gitter) , als Kinoform oder als Hologramm. Auch refraktive optische Elemente haben häufig die Eigenschaft, den Lichtleitwert zu erhöhen. Unter einem refraktiven optischen Element versteht man im allgemeinen ein flächig ausgebildetes refraktiv wirkendes optisches Element, bei dem im Gegensatz zu herkömmlichen Linsen oder Prismen wenigstens eine brechende Fläche strukturiert ist. Das refraktive optische Element kann man sich somit in eine Vielzahl von Teilelementen unterteilt denken, die für sich gesehen wie klassische Elemente, z.B. Linsen oder Prismen, geformt sind. Die Größe der Teilelemente liegt dabei typischerweise zwischen einigen Mikrometern und etwa 1 mm. Beispiele für refraktive optische Elemente sind Mikrolinsen-Arrays und Fresnel-Linsen . Weitere Varianten für Rasterelemente finden sich in der US 6 285 443 der Anmelderin, deren Inhalt vollumfänglich zum Gegen- stand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.
Die Erfindung beruht auf der Entdeckung, daß das von einem Laser oder einer anderen vergleichbaren Lichtquelle erzeugte Projektionslicht unter bestimmten Umständen nicht mehr vollständig linear polarisiert ist, wenn es auf das erste den Lichtleitwert erhöhende optische Element trifft und damit in den polarisationsempfindlicheren Teil des Beleuchtungssystem eintritt.
Die hierfür ursächlichen Störungen werden von optischen Elementen erzeugt, die zwischen dem Laser und dem ersten lichtleitwerterhöhenden optischen Element angeordnet sind. Hierbei handelt es sich insbesondere um eine Strahlaufweitungseinheit, die das von dem Laser erzeugte Projektionslicht zu einem im wesentlichen parallelen Strahlenbündel aufweitet, ohne dabei den Lichtleitwert zu erhöhen. Die Strahlauf eitung verringert die Intensitäten auf nachfolgenden optischen Elementen und verhindert da- durch Beschädigungen durch den energiereichen und stark gebündelten Laserstrahl. Die Strahlaufweitungseinheit enthält meist einige wenige Linsen, kann aber auch ausschließlich aus Spiegel aufgebaut sein, wie dies in der US 5 343 498 beschrieben ist. Störungen des Polarisati- onszustandes können aber auch von Umlenkspiegeln verursacht oder verstärkt werden, die häufig zwischen dem Laser und dem ersten lichtleitwerterhöhenden Element angeordnet sind und der Faltung des Strahlengangs dienen.
Trotz der Strahlaufweitung führt der energiereiche Laser- strahl nach einiger Zeit zu Degradationserscheinungen der vorstehend erwähnten optischen Elemente. Im einzelnen kann es dabei, und zwar insbesondere bei in der Strahl- aufweitungseinheit enthaltenen Linsen, zur Kompaktierung, zur Bildung von sogenannten Microchannels und zur polari- sationsinduzierten Doppelbrechung kommen. Im Zuge dieser Degradationserscheinungen verändern sich die optischen Materialien derart, daß sie doppelbrechend werden. Doppelbrechende Materialien führen jedoch, wie oben bereits erläutert wurde, zu Störungen des Polarisationszustandes.
Wenn in der erfindungsgemäßen Weise jedoch ein Polarisator möglichst nahe vor dem ersten lichtleitwerterhöhenden optischen Element angeordnet wird, so ist sichergestellt, daß das Projektionslicht, das die polarisationsempfindlicheren optischen Elemente des Beleuchtungssystems durchtritt, auch nach längeren Betriebsdauern stets vollständig linear polarisiert ist.
Die Anordnung eines Polarisators noch vor dem ersten lichtleitwerterhöhenden optischen Element ist deswegen zweckmäßig, weil das Projektionslicht an dieser Stelle noch als kollimierter Strahl vorliegt, dessen Querschnitt vergleichsweise klein ist. Hinter dem ersten lichtleit- werterhöhenden optischen Element hingegen hat das Projektionslicht bereits eine breitere Winkelverteilung und auch einen größeren Bündelquerschnitt. Aus diesen Gründen müßte ein Polarisator hinter dem ersten lichtleitwerterhöhenden optischen Element weitgehend winkelunabhängig wirken und außerdem wegen des größeren Bündelquerschnitts insgesamt größere Abmessungen haben. Vor dem ersten lichtleitwerterhöhenden optischen Element hingegen können Polarisatoren mit besonders einfachem Aufbau und kleinen Abmessungen verwendet werden.
Vorzugsweise befinden sich im Strahlengang zwischen dem Polarisator und dem optischen Element keine reflektiven oder refraktiven optischen Elemente. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß der durch den Polarisator eingestellte Polarisationszustand nicht mehr durch andere optische Elemente verändert wird, bevor das Projektionslicht in das erste lichtleitwerterhöhende optische Element ein- tritt.
Als Polarisatoren kommen hier im Prinzip alle optischen Bauelemente in Betracht, die der Erzeugung linear poari- sierten Lichts dienen. Viele der in der Optik üblicherweise verwendeten Polarisatoren, z.B. dichroitische Kri- stalle oder organisch eingefärbte Folien, sind allerdings nicht für einen Einsatz in Beleuchtungseinrichtungen verwendbar, deren Lichtquellen sehr kurzwelliges Projektionslicht erzeugen.
Dieser Einschränkung sollten neuartige Drahtpolarisato- ren, wie sie in einem Aufsatz von H. Tamada et al . mit dem Titel "AI wire-grid polarizer using the s- polarization resonance effect at the 0.8-μm wavelength band", Optics Letters, Vol. 22, No. 6, 1997, Seiten 419- 420, beschrieben sind, zumindest vom Grundsatz her nicht unterliegen. Als Polarisatoren in Betracht kommen daneben auch spezielle Gitter, bei denen eine hohe Polarisations- Selektivität durch eine Kombination von Formdoppelbrechung und Resonanzeffekten in Mehrschichtsystemen erzielt wird. Beschrieben sind derartige Gitter in einem Aufsatz von R.-C. Tyan et al mit dem Titel "Polarizing beam Splitters constructed of form-birefringent multilayer gratings", SPIE Proceedings: Diffractive and Holographie Optics Technology III, Band 2689, Seiten 82 bis 89, 1996.
Als Polarisatoren für kurzwelliges Projektionslicht ferner geeignet sind polarisationsselektive Strahlteiler- schichten, die auf einem transparenten Träger aufgebracht sind. Bei diesen Strahlteilerschichten handelt es sich um Schichtstrukturen, welche die Eigenschaft haben, für auftreffendes Licht in einem ersten Polarisationszustand weitgehend durchlässig und für Licht in einem von dem er- sten Polarisationszustand verschiedenen zweiten Polarisationszustand weitgehend reflektierend zu sein. Die Differenz des Transmissionsvermögens für die unterschiedlichen Polarisationszustände ist zwar abhängig von dem Winkel, mit dem das Licht auf die Strahlteilerschicht auftrifft. Da aber der Polarisator erfindungsgemäß im parallelen
Strahlengang angeordnet ist, kann die Strahlteilerschicht optimal zur Einfallsrichtung der Lichtstrahlen ausgerichtet werden. Auf diese Weise lassen sich Polarisationsgrade von weit über 90% erzielen.
Als Träger für die Strahlteilerschicht kann beispielsweise ein Prisma verwendet werden, dessen Geometrie dem gewünschten Einfallswinkel entsprechend gewählt ist. Ordnet man die Strahlteilerschicht zwischen zwei prismenförmigen Trägern an, um eine Kompensation der brechenden Wirkung der Träger zu erzielen, so entsteht ein Strahlteilerwürfel, wie er an sich im Stand der Technik bekannt ist. Handelt es sich bei dem Träger hingegen um eine dünne transparente Platte, so spricht man meist von Dünn- schichtpolarisatoren.
Der Träger der Strahlteilerschicht besteht vorzugsweise aus einem kristallinen Material, zum Beispiel Kalzium- fluorid, Bariumfluorid, Magnesiumfluorid oder Quarz. Kristalline Materialien haben den Vorteil, daß sie unter linear polarisierter Bestrahlung nicht so schnell degradieren wie glasartige Materialien. Die bei besonders kurzen Wellenlängen aufgrund ihrer höheren Transparenz bevorzugt eingesetzten kristallinen Materialien wie z.B. Kalzium- fluorid haben allerdings den Nachteil, daß sie intrin- sisch doppelbrechend sind. Da der Polarisator aber im parallelen Strahlengang angeordnet ist, durchtreten alle Lichtstrahlen den Träger unter dem gleichen Winkel. Daher ist es möglich, das Kristallgitter des kristallinen Materials unter Berücksichtigung der Einfallsrichtung des auf das Material auftreffenden Lichts derart auszurichten, daß Einflüsse auf das Projektionslicht in Folge intrinsi- scher Doppelbrechung des Materials minimal sind.
Bei dem Polarisator kann es sich ferner um eine Platte aus einem transparenten Material handeln, die unter dem Brewster-Winkel zur Achse des einfallenden Lichts ausge- richtet ist. Das reflektierte Licht ist dann linear polarisiert. Zur Erhöhung der Ausbeute können auch mehrere transparente Platten hintereinander gestaffelt angeordnet sein, wie dies an sich im Stand der Technik bekannt ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung, die einen vereinfachten, nicht maßstäblichen Meridionalschnitt durch ein erfindungsgemäßes Beleuchtungssystem zeigt.
Das in der Zeichnung dargestellte und insgesamt mit 10 bezeichnete Beleuchtungssystem enthält einen Excimer- Laser 12, dessen Emissionswellenlänge λ = 193 nm beträgt und der ein kohärentes Projektionslichtbündel mit einem kleinen Bündelquerschnitt emittiert. Das Projektions- lichtbündel ist hochgradig kollimiert, so daß die einzelnen Lichtstrahlen praktisch parallel zu einer optischen Achse OA des Beleuchtungssystems 10 verlaufen. In der Zeichnung ist ein einzelner Projektionslichtstrahl mit einer durchgezogenen Linie angedeutet und mit 14 bezeich- net.
Aufgrund des dem Exci er-Laser 12 eigenen Wirkungsprinzips ist das emittierte Projektionslicht hochgradig linear polarisiert. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist angenommen, daß die Polarisationsrichtung senkrecht zur Papierebene verläuft, wie dies durch Punkte 16 auf dem Projektionslichtstrahl 14 angedeutet ist. Da die Pa- pierebene für den Projektionslichtstrahl 14 die Einfallsebene darstellt, ist der Projektionslichtstrahl 14 somit s-polarisiert .
Nach dem Austritt aus dem Excimer-Laser 12 tritt der Pro- jektionslichtstrahl 14 zunächst in eine Strahlaufweitungseinheit 18 ein, die den Querschnitt des Projektionslichtbündels vergrößert, die Parallelität der Projektionslichtstrahlen jedoch erhält und auch den Lichtleitwert nicht verändert. Die Strahlaufweitungseinheit 18 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich mit zwei Linsen 20, 22 dargestellt. Sie kann aber ebensogut auch drei oder mehrere Linsen enthalten oder ausschließlich aus Spiegeln aufgebaut sein.
In den Bereichen der Linsen 20, 22, die dem energierei- chen Projektionslicht ausgesetzt sind, werden sehr hohe Energiedichten erreicht. Dies führt aufgrund der nicht vernachlässigbaren Absorption des Linsenmaterials nicht nur zu einer Erwärmung der Linsen, sondern auch zu dauerhaften Degradationserscheinungen. So kann es in den von Projektionslicht durchsetzten Bereichen zu einer Kompak- tifizierung kommen, bei der das Linsenmaterial, zum Beispiel Quarzglas oder das bei kürzeren Wellenlängen transparentere Kalziumfluorid, eine lokale Verdichtung erfährt. Im allgemeinen geht dabei die Anisotropie des Ma- terials verloren, wodurch dieses optisch doppelbrechend wird. Daneben kann das energiereiche Projektionslicht auch die Ausbildung von sogenannten Microchannels hervorrufen, die ebenfalls doppelbrechend wirken. Da das Projektionslicht linear polarisiert und mit stets gleichbleibender Polari- sationsrichtung das Linsenmaterial durchsetzt, kann es außerdem zur Entstehung der sogenannten polarisationsin- duzierten Doppelbrechung kommen. Die vorstehend genannten Effekte können, für sich gesehen oder auch in ihrer Gesamtheit, den linearen Polarisationszustand des Projekti- onslichts um so stärker stören, je länger das Beleuchtungssystem in Betrieb ist.
Die Störung des Polarisationszustands, die durch die im Laufe der Zeit eintretende Doppelbrechung der Linsen 20, 22 verursacht wird, ist in der Zeichnung durch einen kur- zen Doppelpfeil 24 wiedergegeben, der eine - wenn auch kleine - p-polarisierte Polarisationskomponente in der Papierebene andeuten soll.
Das aufgeweitete Projektionslichtbündel wird nun über mehrere der Faltung des Strahlengangs dienende Umlenk- Spiegel 26, 28, 30, 32 den übrigen optischen Elementen des Beleuchtungssystems 10 zugeführt, die das Projektionslichtbündel in seiner Winkelverteilung und seinem Querschnitt modifizieren. Da das Projektionslicht durch die Aufweitungseinheit 18 bereits aufgeweitet wurde, sind die Intensitäten auf den Umlenkspiegeln 26, 28, 30, 32 geringer, als dies beispielsweise bei der ersten Linse 20 der Aufweitungseinheit 18 der Fall ist. Dennoch kann es infolge des energiereichen Projektionslichts auch in den empfindlichen reflektierenden Beschichtungen der Umlenkspiegel 26, 28, 30, 32 zu dauerhaften Beschädigungen kommen, die den Polarisationszustand des Projektionslichts verändern.
Selbst ohne derartige Degradationserscheinungen beeinflussen die Umlenkspiegel 26, 28, 30, 32 im allgemeinen aber den Polarisationszustand des umgelenkten Projektionslichts, da die Reflektivität der Umlenkspiegel 26, 28, 30, 32 - wenn auch geringfügig - von der Polarisationsrichtung abhängt. Auf diese Weise kann das Intensitätsverhältnis zwischen den beiden in der Zeichnung durch Punkte 16 und Doppelpfeile 24 angedeuteten orthogonalen Polarisationskomponenten verändert werden. Ist die Re- flektivität der Umlenkspiegel 26, 28, 30, 32 für das durch Punkte 16 angedeutete s-polarisierte Licht geringer als für durch Doppelpfeile 24 angedeutetes p-polari- siertes Licht, so verringert sich der lineare Polarisationsgrad des Projektionslichts durch die Faltung des Strahlengangs an den Umlenkspiegeln 26, 28, 30, 32 weiter. In der Zeichnung ist dies dadurch angedeutet, daß bei 35 die Länge des Doppelpfeils 24 zugenommen hat.
Aufgrund der vorstehend erläuterten Degradationserscheinungen und der Einflüsse der Umlenkspiegel 26, 28, 30, 32 auf den Polarisationszustand ist das Projektionslicht hinter dem letzten Umlenkspiegel 32 nicht mehr vollständig linear polarisiert. Um wieder eine vollständige li- neare Polarisation herzustellen, ist hinter dem letzten Umlenkspiegel 32 ein Polarisator 34 in den Strahlengang eingeführt, der als Strahlteilerwürfel ausgebildet ist. Der Polarisator 34 besteht aus zwei transparenten Prismen 36, 38, zwischen denen eine polarisationsselektive
Strahlteilerschicht 40 angeordnet ist. Die Strahlteilerschicht 40 hat die Eigenschaft, daß sie für p-polari- siertes Licht transparent und für s-polarisiertes Licht reflektierend ist. Die in der Zeichnung durch Punkte 16 angedeutete s-polarisierte Komponente des Projektionslichts wird somit an der Strahlteilerschicht 40 reflektiert und aus dem Strahlengang herausgelenkt. Nur die p- polarisierte Komponente 24 des Projektionslichts durchtritt den Polarisator 34 und gelangt auf die nachfolgen- den optischen Elemente des Beleuchtungssystems 10.
Die Prismen 36, 38 bestehen in dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus Kalziumfluorid-Kristallen, die so orientiert sind, daß die intrinsische Doppelbrechung bei der vorgegebenen Strahl- und Polarisationsrichtung minimal ist. Erreicht werden kann dies beispielsweise, indem das Kristallgitter so ausgerichtet wird, daß die [100]- oder [111] -Kristallachse parallel zur optischen Achse OA verläuft. In beiden Fällen ist der Betrag der Doppelbrechung unabhängig von der Polarisationsrichtung verschwindend gering.
Das nach dem Austritt aus dem Polarisator 34 wieder vollständig linear polarisierte Polarisationslicht durchtritt ein diffraktives optisches Element 42, in dem erstmalig der Lichtleitwert erhöht wird. Hinten dem diffraktiven optischen Element 42 sind eine Zoom-Gruppe 44 mit Linsen 46, 48 angeordnet, von denen mindestens eine in Richtung eines Doppelpfeils 50 entlang der optischen Achse OA verschiebbar ist. Darauf folgt eine Axikon-Gruppe 52 mit Axikon-Elementen 54, 56, von denen ebenfalls mindestens eines in der durch einen Doppelpfeil 58 angedeuteten Richtung parallel zur optischen Achse OA verschiebbar ist. Das erste diffraktive optische Element 42, die Zoom- Gruppe 44 und die Axikon-Gruppe 52 legen gemeinsam die Intensitätsverteilung in einer Pupillenebene 62 und damit die Winkelverteilung des Projektionslichts in einer dazu konjungierten Feldebene fest. Die Geometrie des aus- geleuchteten Feldes wird hingegen im wesentlichen durch ein zweites diffraktives optisches Element 60 festgelegt, das in der Pupillenebene 62 angeordnet ist.
Eine Kondensorlinse 64 konjugiert die Pupillenebene 62 mit einer Feldebene 66, in der eine Maskierungseinrich- tung 68 angeordnet ist. Ein Maskierungsobjektiv 70 bildet die Maskierungseinrichtung 68 auf eine Retikelebene 72 ab, in der ein zu beleuchtendes Retikel 74 angeordnet ist. Auf diese Weise wird das Retikel 74 randscharf und mit gleichmäßiger Helligkeit ausgeleuchtet.
Es versteht sich, daß das Beleuchtungssystem vorstehend nur beispielhaft und vereinfacht beschrieben worden ist. Im allgemeinen enthalten Beleuchtungssysteme wesentlich mehr als die hier angesprochenen optischen Elemente. So handelt es sich bei der Kondensorlinse 64 im allgemeinen um größere optische Einheiten mit mehreren Linsen. Auch zwischen den beiden diffraktiven optischen Elementen 42 und 60 sind im allgemeinen noch weitere optische Elemente angeordnet. Da aber das vorstehend beschriebene Beleuchtungssystem 10, abgesehen von dem Polarisator 34, an sich im Stand der Technik bekannt ist, kann bezüglich weiterer Einzelheiten auf die US 5 285 443 A verwiesen werden, de- ren Inhalt vollumfänglich zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.

Claims

Patentansprüche
1. Beleuchtungssystem einer mikrolithographischen Pro- jektionsbelichtungsanlage mit einer Lichtquelle (12) zur Erzeugung von linear polarisiertem Licht,
dadurch gekennzeichnet, daß
im Strahlengang vor einem den Lichtleitwert erstmalig wesentlich erhöhenden optischen Element (42) ein Polarisator (34) angeordnet ist.
2. Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem Polarisator (34) und dem optischen Element (42) keine reflektiven oder refraktiven optischen Elemente befinden.
3. Beleuchtungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekenn- zeichnet, daß der Polarisator (34) unmittelbar vor dem optischen Element (42) angeordnet ist.
4. Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Polarisator (34) eine auf einem Träger (36, 38) aufgebrachte po- larisationsselektive Strahlteilerschicht (40) enthält.
5. Beleuchtungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Polarisator ein Dünnschichtpolari- sator ist.
6. Beleuchtungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekenn- zeichnet, daß der Träger (36, 38) prismenförmig ist.
7. Beleuchtungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Polarisator (34) ein Strahlteilerwürfel mit zwei prismenförmigen Trägern (36, 38) ist, zwischen denen die polarisationsselektive Strahlteiler- schicht (40) angeordnet ist.
8. Beleuchtungssystem nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (36, 38) aus einem kristallinen Material besteht.
9. Beleuchtungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekenn- zeichnet, daß der Träger (36, 38) aus Kalziumfluo- rid, Bariumfluorid, Magnesiumfluorid oder Quarz besteht.
10. Beleuchtungssystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das kristalline Material ein
Kristallgitter hat, das derart ausgerichtet ist, daß Ein- flüsse auf das Projektionslicht infolge intrinsischer Doppelbrechung des Materials minimal sind.
11. Beleuchtungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Kristallgitter unter Berücksichti- gung der Einfallsrichtung des auf das Material auftreffenden Lichts ausgerichtet ist.
12. Beleuchtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Polarisator minde- stens eine Platte aus einem transparenten Material enthält, die unter dem Brewster-Winkel zu einer optischen Achse des Beleuchtungssystems ausgerichtet ist.
13. Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Lichtquelle (12) und dem Polarisator (34) eine Strahlaufweitungseinheit (18) angeordnet ist, die den Querschnitt eines hindurchtretenden parallelen Lichtbündels aufweitet.
14. Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der
Lichtquelle (12) und dem Polarisator (34) mindestens ein Umlenkspiegel (26, 28, 30, 32) angeordnet ist.
15. Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element (42) ein optisches Rasterelement ist.
16. Beleuchtungssystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Rasterelement ein diffraktives optischen Element (42) oder ein Mikrolinsen- Array ist.
17. Mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage mit einem Beleuchtungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
18. Verfahren zur mikrolithographischen Herstellung mikrostrukturierter Bauelemente mit folgenden
Schritten:
a) Bereitstellen eines Trägers, auf den zumindest teilweise eine Schicht aus einem lichtempfindlichen Material aufgebracht ist;
b) Bereitstellen eines Retikels (74), das abzubildende Strukturen enthält;
c) Bereitstellen einer Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 17;
d) Projizieren wenigstens eines Teils des Retikels (74) auf einen Bereich auf der Schicht mit Hilfe der Projektionsbelichtungsanlage.
19. Mikrostrukturiertes Bauelement, das nach einem Verfahren nach Anspruch 18 hergestellt ist.
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